JP2006042509A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 プランジャーに生じる推力を向上できる、効率の良いリニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】
プランジャー１が、固定部Ｓに移動可能に支持され、固定部Ｓは、移動方向に平行な基礎ヨーク３と、基礎ヨーク３に直交する磁極部材４ａ〜４ｃを基礎ヨーク３に移動方向に３つ並設した並列磁極部材４と、並列磁極部材４の隣り合う磁極部材４ａ，４ｂ間でプランジャー１に巻回されたコイル５を備えるリニアアクチュエータであって、プランジャー１は、端部に鍔部１ａを有し、並列磁極部材４の隣り合う磁極部材間の一方にコイル５を、他方に鍔部１ａを配し、並列磁極部材４の両端の磁極部材４ａ，４ｃとプランジャー１と基礎ヨーク３とを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材のうちコイル５の両側にある隣り合う磁極部材とプランジャー１と基礎ヨーク３とを経路に有する磁路よりも小さくした。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を用いる有極型のリニアアクチュエータに関する。

有極型のリニアアクチュエータは、可動部と固定部とで形成される磁路に永久磁石を有し、この磁路に巻かれたコイルに電流を流すことにより、磁路に流れる磁束を制御して直線運動を得るものである。この種のリニアアクチュエータの一例としては、特許文献１に記載されているようなプランジャー型電磁石がある。

特許文献１に記載されたプランジャー型電磁石は、ヨークと、ヨークに固設された固定鉄心と、固定鉄心に当接するプランジャーと、固定鉄心とプランジャーを所定間隔離間させるスプリングと、固定鉄心、プランジャー及びヨークで構成される回路を通電によって磁化し、スプリングの付勢力に抗してプランジャーを固定鉄心に吸着させるコイルと、コイルに通電しないときにもプランジャーを固定鉄心に吸着保持する円環状永久磁石を有して構成されている。また、このプランジャー型電磁石は、円環状永久磁石に平行して、ヨーク１からプランジャーに向けて伸びる磁性部材を有している。
特開平２−１６５６０６号公報（第２頁、第６図）

特許文献１に開示されたプランジャー型電磁石は、円環状永久磁石に平行して、ヨーク１からプランジャーに向けて伸びる磁性部材を有しているので、コイル電流による磁束の磁路の磁気抵抗が小さくなり、小さい電流で吸着力を低減できる感度の良いものとなっている。

しかしながら、プランジャー型電磁石の外径と、コイルの巻数などを決定すると、プランジャー径などの他の部分の寸法が定まるので、円環状永久磁石により生じる磁束のうち吸着力に寄与するものが通る磁路の磁気抵抗を低減するなどして吸着力を向上することは困難である。

本発明は、上記事由を考慮してなされたもので、その目的とするところは、プランジャーに生じる推力を向上できる、効率の良いリニアアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、柱状のプランジャーが、固定部に直線的に移動できるように支持され、固定部は、プランジャーの移動方向に平行な板状の基礎ヨークと、基礎ヨークに略直交する磁極部材を基礎ヨークのプランジャー側の面にプランジャーの移動方向に３つ並べて設けられた並列磁極部材と、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間においてプランジャーの周囲に巻回されたコイルとを備えるリニアアクチュエータであって、前記プランジャーは、端部近傍に鍔部を有し、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間のうち一方に前記コイルを、他方に前記プランジャーの鍔部を配するとともに、並列磁極部材の両端の磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材のうちコイルの両側にある隣り合う磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗よりも小さくしている。

したがって、プランジャーの端部近傍に鍔部を有し、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間のうち一方に前記コイルを、他方に前記プランジャーの鍔部を配したので、鍔部と並列磁極部材の中の端の磁極部材との対向面積を広く取ることができ、推力に寄与する磁束の通る磁路の磁気抵抗を低減することができる。そのため、プランジャーに生じる推力を向上することができる。また、コイルに電流を流すことにより生じる磁束が、プランジャーと並列磁極部材の両端の磁極部材と基礎ヨークとを有する磁路を主に通るので、永久磁石を有して磁気抵抗の大きな中央の磁極部材を通らない。そのため、プランジャーの動作を、少ない電流で効率よく制御することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のリニアアクチュエータにおいて、前記鍔部と基礎ヨークとの距離は、前記鍔部と前記並列磁極部材の端の磁極部材との距離よりも長くしている。

したがって、プランジャーの推力に対する寄与が少ない、基礎ヨークと鍔部との間で直接行き来する磁束を減少させ、プランジャーの推力を向上することができる。

本願発明のリニアアクチュエータによれば、鍔部と並列磁極部材の中の端の磁極部材との対向面積を広く取ることができ、推力に寄与する磁束の通る磁路の磁気抵抗を低減して、プランジャーに生じる推力を向上することができる。また、コイルに電流を流すことにより生じる磁束が、プランジャーと並列磁極部材の両端の磁極部材と基礎ヨークとを有する磁路を主に通るので、永久磁石を有して磁気抵抗の大きな中央の磁極部材を通らない。そのため、プランジャーの動作を、少ない電流で効率よく制御することができる。したがって、プランジャーに生じる推力を向上できる、効率の良いリニアアクチュエータを提供することが可能となっている。

本願発明に係るリニアアクチュエータの実施形態について、図１〜図３に基づいて説明する。ここでは、リニアアクチュエータの一例として、リニアオシレータを取り上げて説明する。本実施形態のリニアオシレータは、図１に示すように、プランジャー１と、基礎ヨーク３と、並列磁極部材４と、コイル５とを磁気回路構成部材として有している。

プランジャー１は、例えば電磁軟鉄などの磁性材料により端部に円板状の鍔部１ａを有する円柱状に形成されたものであり、その底面間に中心軸が一致する円柱状の貫通孔を有している。そして、プランジャー１は、その貫通孔に軸が嵌め合わされ、軸部２が形成されている。なお、このプランジャー１は、一体で成型されるものでなくてもよく、鍔部１ａをリング状の磁性体として別体で形成し、円柱状のプランジャー１に嵌め合わせるような他の方法で形成されていても良い。

基礎ヨーク３は、例えば電磁軟鉄などの磁性材料により円筒状に形成されたものであり、組立時には軸部２の軸方向（以後、軸方向という）に延伸した板状の磁性材料のように設けられる。そのため、基礎ヨーク３は、プランジャー１の移動方向に平行になっている。ここでは、基礎ヨーク３として、円筒状のものとしているが、それに限るものではなく、プランジャー１に向く面を持つ板状のものであれば良い。ここでは、板状のものの特殊な形としてプランジャー１を取り囲む円筒状のものを用いている。

並列磁極部材４は、３つの磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃを有して形成され、これらの磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃの形状は、板厚と、外径が等しく、内径が磁極部材４ａ、磁極部材４ｂ、磁極部材４ｃの順で小さくなっている。並列磁極部材４は、基礎ヨーク３のプランジャー１側の面に、３つの磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃが基礎ヨーク３に直交するように設けられており、組立時には軸方向に直交する磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃを基礎ヨーク３のプランジャー１側の面に軸方向に３つ並べて設けたようになっている。ここで、磁極部材４ａ，４ｂの内径は、プランジャー１の鍔部１ａでない部分の外径よりも大きく形成されており、磁極部材４ｃの内径は、プランジャー１の鍔部１ａの外径より小さく、軸部２の外径よりも大きく形成されている。また、並列磁極部材４の中央の磁極部材４ｂは、組立時に着磁方向が軸方向に略直交するリング状の永久磁石を有しており、並列磁極部材４の端の磁極部材４ａ，４ｃは、例えば電磁軟鉄などのリング状の磁性材料により形成されている。

コイル５は、電流を流すことによりプランジャー１の動作を制御するものであり、並列磁極部材４の隣り合う２つの磁極部材（ここでは磁極部材４ａ，４ｂ）間において、プランジャー１の周囲にコイルボビンを介して巻回されている。このコイル５には、リニアオシレータとしての動作をさせるために、プランジャー１の質量とコイルばね１０ａ，１０ｂのばね定数で定まる機械的な共振周波数の近傍の周波数の交番電流が流される。ここで、交番電流の周波数を機械的な共振周波数の近傍の周波数とするのは、動作時の現象は、運動方程式と電気回路方程式との連立微分方程式になり、共振周波数が見かけ上シフトしたようになるためである。また、コイル５端は、基礎ヨーク３に設けられた孔部（図示せず）を介して外部に取り出される。

ベアリングケース６は、例えば樹脂などの非磁性体で断面視Ｃ字状に形成されたものであり、軸部２を通す貫通孔と、ベアリング７とばね受け８とを収納する同軸で径の異なる凹部を有している。ベアリングケース６の凹部は、ベアリング７、ばね受け８の順で収納し、ばね受け８は、ベアリング７をベアリングケース６内に収納したときに蓋の働きもしている。また、ベアリングケース６は、凹部を形成する縁の開放側の端部に基礎ヨーク３との嵌合部を有しており、基礎ヨーク３の両端にそれぞれ接続される。

ベアリング７は、リング状に形成された樹脂に潤滑油を塗布した滑らかな金属球をはめ込んだボールベアリングであり、プランジャー１の軸部２を金属球で支持し、プランジャー１がスムーズに直線運動できるようにしている。

ばね受け８は、樹脂で凹部を有する円板状に形成されたものであり、凹部の底面には、軸部２を通す貫通孔を有している。そして、ばね受け８は、凹部でコイルばね１０ａ，１０ｂの端部を嵌め合わせて固定する。

軸部ばね受け９ａ，９ｂは、例えば樹脂などの非磁性体により円筒の外周に鍔部を設けて形成されており、円筒形状の外周とコイルばね１０ａ，１０ｂの内径とが嵌め合わされるとともに鍔部でばねの端部位置を定めてコイルばね１０ａ，１０ｂを固定する。軸部ばね受け９ａ，９ｂの鍔部の位置は、プランジャー１の位置調整のために用いられており、本実施形態では、軸部ばね受け９ｂの方が軸部ばね受け９ａよりも端部からの距離が長くなっている。また、軸部ばね受け９ａ，９ｂは、ばねへの差し込みやすさを向上するために、コイルばね側の端部にテーパが設けられている。

コイルばね１０ａ，１０ｂは、それぞれ同じばね特性を示すものであり、そのばね定数は、リニアオシレータの共振周波数を設定する際に定められる。ここで、ばねとしてコイルばね１０ａ，１０ｂを用いた例について示しているが、それに限るものではなく、強度や、振幅が対応すれば、板ばねなど他の種類のばねも用いることができる。

スペーサ１１ａ〜１１ｃは、例えば樹脂などの非磁性体で円筒形状に形成されたものであり、基礎ヨーク３の内径にすきま嵌めされるように外径が調整されている。スペーサ１１ａ〜１１ｃの肉厚は、強度を確保するのに必要な厚さとし、できる限り内部の空間を広く取れるようにしている。

本実施形態のリニアオシレータは、次のように組み立てられる。まず、ベアリングケース６にベアリング７とばね受け８を嵌め入れ、ベアリングケース６と基礎ヨーク３とを嵌め合わせる。そして、スペーサ１１ａ、磁極部材４ａ、コイル５，磁極部材４ｂ、スペーサ１１ｂの順に基礎ヨーク３内に入れる。

一方、プランジャー１の貫通孔に軸を嵌め合わせて軸部２を形成し、プランジャー１の両側の軸部２に軸部ばね受け９ａを取り付ける。そして、軸部ばね受け９ａにコイルばね１０ａを取り付けてから、軸部２をベアリング７に挿入する。すると、コイルばね１０ａは、ばね受け８の凹部に嵌め合わされ固定される。そして、プランジャー１の軸部２を通して磁極部材４ｃを基礎ヨーク３内に入れ、軸部ばね受け９ｂを軸部２に取り付ける。そして、スペーサ１１ｃを基礎ヨーク３内に入れる。

さらに、軸部ばね受け９ｂにコイルばね１０ｂを差し込み、ベアリング７とばね受け８を嵌め入れた状態のベアリングケース６を基礎ヨーク３に嵌め合わせ、軸部２をベアリング７に挿入する。このように組み立てることにより、プランジャー１は、固定部Ｓに軸方向に直線的に移動できるように支持された状態となり、プランジャー１の鍔部１ａは、中央の磁極部材４ｂと端の磁極部材４ｃとの間に端の磁極部材４ｃに近い状態に配されている。そのため、並列磁極部材４の隣り合う２つの磁極部材間のうち一方にコイル５を、他方にプランジャー１の鍔部１ａを配した構成となっている。

また、ここで、固定部Ｓは、基礎ヨーク３、並列磁極部材４、コイル５、ベアリングケース６、ばね受け８、スペーサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有している。そして、コイルばね１０ａ，１０ｂは、所定の変位が押し込まれた状態であり、プランジャーが両方向へ移動しても所定のばね定数を示すようになっている。また、ベアリングケース６と基礎ヨーク３との間は、適宜ねじ止め（図示せず）固定されている。

次に、本実施形態のリニアオシレータに存在する磁路について、図２を用いて説明する。磁極部材４ｂの永久磁石による磁束は、中央の磁極部材４ｂ→空隙Ｇｂ→プランジャー１→空隙Ｇａ→端の磁極部材４ａ→基礎ヨーク３→中央の磁極部材４ｂを経路とする磁路Ｃａを流れるとともに、中央の磁極部材４ｂ→空隙Ｇｂ→プランジャー１→空隙Ｇｃ→端の磁極部材４ｃ→基礎ヨーク３→中央の磁極部材４ｂを経路とする磁路Ｃｂを流れる。ただし、中央の磁極部材４ｂの永久磁石の着磁方向が逆のときには、磁束は、上述の磁路Ｃａ，Ｃｂを逆順に流れる。

一方、コイル５に電流を流したときの磁束は、例えば紙面に向けて電流が流れているとすると、端の磁極部材４ａ→空隙Ｇａ→プランジャー１→空隙Ｇｃ→端の磁極部材４ｃ→基礎ヨーク３→端の磁極部材４ａの経路である磁路Ｃｃを流れる。これは、磁路Ｃｃの磁気抵抗は、端の磁極部材４ａ→空隙Ｇａ→プランジャー１→空隙Ｇｂ→中央の磁極部材４ｂ→基礎ヨーク３→端の磁極部材４ａを通る磁路の磁気抵抗よりも小さくなるためである。

ここで、プランジャー１の端部に設けられた鍔部１ａは、並列磁極部材４の隣り合う２つの磁極部材４ｂ，４ｃ間に配されているので、磁極部材４ｂ，４ｃ間の空間を利用してプランジャー１の鍔部１ａと並列磁極部材４の端の磁極部材４ｃとの対向面積を広く取ることができる。そのため、プランジャー１の鍔部１ａと並列磁極部材４の端の磁極部材４ｃとの間の磁気抵抗を低減して、推力に寄与する磁束を増加することにより、プランジャー１に生じる推力を向上することができる。

また、プランジャー１の移動する範囲において、磁極部材４ａのプランジャー１側の面は、全面にわたりプランジャー１の鍔部１ａでない側面と対向するようになっている。したがって、端の磁極部材４ａとプランジャー１との間の磁束は、プランジャー１の移動方向である軸方向にほぼ直交し、磁極部材４ｃによりプランジャー１に生じる推力を低減する力を生じさせない。そのため、プランジャー１に大きな推力を発生するようになっている。

そして、端の磁極部材４ａの内径を大きくし、磁極部材４ａとプランジャー１の鍔部１ａでない側面との間の空隙Ｇａを大きくすることにより、磁路Ｃｂを通る磁束をさらに増加することができる。ただし、この空隙Ｇａは、磁路Ｃｃの磁気抵抗が端の磁極部材４ａ→空隙Ｇａ→プランジャー１→空隙Ｇｂ→中央の磁極部材４ｂ→基礎ヨーク３→端の磁極部材４ａを通る磁路の磁気抵抗よりも小さくなる範囲で変更する必要がある。

また、図３に示すように、プランジャー１の鍔部１ａと基礎ヨーク３との距離をＬ２とし、プランジャー１の鍔部１ａと並列磁極部材４の端の磁極部材４ｃとの距離Ｌ１よりも長くしている。そのため、プランジャー１を通る磁束は、そのほとんどが端の磁極部材４ｃに流れるので、プランジャー１の推力を大きくすることができる。しかしながら、プランジャー１の鍔部１ａと基礎ヨーク３との距離をＬ３とすると、プランジャー１を通る磁束は、その多くが端の磁極部材４ｃを通らずに、直接、基礎ヨーク３を通る。そのため、プランジャー１の推力に寄与する磁束が減少するので、推力が減少する。したがって、プランジャー１の鍔部１ａの長さは、プランジャー１の鍔部１ａと基礎ヨーク３との距離が、プランジャー１の鍔部１ａと並列磁極部材４の端の磁極部材４ｃとの距離よりも長くなる範囲とするのが好ましい。

次に、本実施形態のリニアオシレータの動作について説明する。コイル５に電流を流さないとき、プランジャー１は、図１に示すように、コイルばね１０ａ，１０ｂのばね力と、中央の磁極部材４ｂの永久磁石によりプランジャー１に加わるディテント力とが釣り合う位置で停止している。ここで、コイル５に交番電流を流すとプランジャー１は、動作をはじめる。例えば、図２のような位置関係及び磁束の流れのときにはプランジャー１には磁極部材４ｃ側への推力が生じる。そして、コイル５に流れる電流の向きが逆方向になると、プランジャー１には逆方向の推力が生じる。この交番電流の周波数は、上述のように、プランジャー１の質量と、コイルばね１０ａ，１０ｂのばね定数とで定まる機械的な共振周波数の近傍としているので、効率よく振動を得ることができる。

このように、本実施形態のリニアオシレータは、プランジャー１の端部近傍に鍔部１ａを有し、並列磁極部材４の隣り合う２つの磁極部材間のうち一方にコイル５を、他方にプランジャー１の鍔部１ａを配したので、鍔部１ａと並列磁極部材４の中の端の磁極部材４ｃとの対向面積を広く取ることができ、推力に寄与する磁束の通る磁路の磁気抵抗を低減することができる。そのため、プランジャーに生じる推力を向上することができる。また、並列磁極部材４の両端の磁極部材４ａ，４ｃとプランジャー１と基礎ヨーク３とを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材４のうちコイル５の両側にある隣り合う磁極部材４ａ，４ｂとプランジャー１と基礎ヨーク３とを経路に有する磁路の磁気抵抗よりも小さくしているので、コイル５に電流を流すことにより生じる磁束が、永久磁石を有して磁気抵抗の大きな中央の磁極部材４ｂを通らない。そのため、プランジャー１の動作を、少ない電流で効率よく制御することができる。

また、プランジャー１の鍔部１ａと基礎ヨーク３との距離は、プランジャー１の鍔部１ａと並列磁極部材４の端の磁極部材４ｃとの距離よりも長くしているので、プランジャー１の推力に対する寄与が少ない、基礎ヨーク３とプランジャー１の鍔部１ａとの間で直接行き来する磁束を減少させ、プランジャー１の推力を向上することができる。

なお、円筒形状のリニアアクチュエータについてのみ説明したが、それに限るものではなく、基礎ヨーク３や並列磁極部材４は一部が円形の一部が切除されていても良いし、軸部２を軸中心として軸対称に配されている必要はない。

また、本実施形態のリニアアクチュエータの一例としてリニアオシレータを取り上げて説明したが、それに限るものではなく、コイルばね１０ａ，１０ｂの存在しないものでもよい。さらに、並列磁極部材４の磁極部材４ａ，４ｂ，４ｃは、それぞれすべての部分が磁性体もしくは永久磁石で形成されているものについて説明したが、磁性体と永久磁石を複合していてもよく、例えば、磁極部材４ｂの永久磁石の端部に磁性体を設けていてもよい。

また、基礎ヨーク３と、並列磁極部材４との間に空隙などの非磁性体が存在しないものについて説明したが、それに限るものでなく、並列磁極部材４が非磁性体を介して基礎ヨーク３に接続されていても良い。

本願発明のリニアアクチュエータの構成を示す中央断面図である。 本願発明のリニアアクチュエータ内の磁路を示す断面図である。 本願発明のリニアアクチュエータの、プランジャーの鍔部と並列磁極部材及び基礎ヨークとの位置関係を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ プランジャー
２ 軸部
３ 基礎ヨーク
４ 並列磁極部材
４ａ，４ｂ，４ｃ 磁極部材
５ コイル
Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃ 空隙
Ｓ 固定部

Claims (2)

1. 柱状のプランジャーが、固定部に直線的に移動できるように支持され、固定部は、プランジャーの移動方向に平行な板状の基礎ヨークと、基礎ヨークに略直交する磁極部材を基礎ヨークのプランジャー側の面にプランジャーの移動方向に３つ並べて設けられた並列磁極部材と、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間においてプランジャーの周囲に巻回されたコイルとを備えるリニアアクチュエータであって、前記プランジャーは、端部近傍に鍔部を有し、並列磁極部材の隣り合う磁極部材間のうち一方に前記コイルを、他方に前記プランジャーの鍔部を配するとともに、並列磁極部材の両端の磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗を、並列磁極部材のうちコイルの両側にある隣り合う磁極部材とプランジャーと基礎ヨークとを経路に有する磁路の磁気抵抗よりも小さくしたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記鍔部と基礎ヨークとの距離は、前記鍔部と前記並列磁極部材の端の磁極部材との距離よりも長くしたことを特徴とする請求項１記載のリニアアクチュエータ

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